硅片低温直接键合方法

摘要

硅片低温直接键合方法，属半导体直接键合领域。现有技术处理过的硅片仍需450℃以上的热处理，而高温会改变硅片的杂质分布，热膨胀会带来应力，损伤硅片上的微细结构，有IC存在并有铝引线时，温度超过铝硅共晶点引起器件失效。本发明表面处理过程为：先将系统抽成真空，然后充入等离子体对硅片进行处理：等离子体为纯CF4气体或体积比为100∶1～1∶20的CF4与O2的混合气体，处理时间为5～20分钟，温度为20～300℃，电源功率密度控制在2.5～10W/Cm2。可使表面层原子处于高能量状态，提高表面层吸附的OH－的能力，对硅片进行抛光，提高硅片的表面质量，从而提高贴合的效果。在100～300℃的热处理温度下，获得较高的键合质量，减轻了对硅片上杂质分布及微细结构的影响。

说明书

技术领域

本发明是一种用于硅片低温直接键合的方法，属于半导体直接键合技术领域。

背景技术

硅直接键合工艺不仅是MEMS(Micro-electro-mechanical Systems，微电子机械系统)的基本技术之一，也是制备SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上的硅)的普遍方法之一。该工艺是指两硅片通过高温处理可直接键合在一起，中间不需任何粘结剂，也不需外加电场，工艺简单。其基本的工艺步骤为：(1)清洗硅片表面，去除表面氧化物；(2)对硅片表面进行处理，使其表面吸附OH^-；(3)在室温下将两硅片面对面贴合在一起；(4)将贴合好的硅片，在烘箱内烘数小时；(5)在O₂或N₂环境中经数小时的高温热处理后形成键合。其中，对硅片表面的处理在键合过程中是十分重要的。目前，已提出了几种表面处理方法，例如用NH₄OH溶液或H₂SO₄，以及等离子体处理的方法。在CN87105937中，介绍了使用O₂、H₂、N₂、NH₃、H₂O等几种等离子体对硅片表面进行处理的方法。这种方法不但可以增加硅片表面的OH^-浓度，还可以增加表面层原子活性，从而显著增大键合强度。但是，经这种方法处理过的硅片仍需较高温度(450℃以上)的热处理，而高温会改变硅片的杂质分布，热膨胀会带来应力，损伤硅片上的微细结构，如果硅片上有IC存在并有铝引线时，温度超过铝硅共晶点引起器件失效。为了使键合工艺能更好地应用于MEMS中，有必要降低热处理的温度，研究低温键合。

发明内容

本发明的目的在于提供硅片低温直接键合方法，采用这种方法可以在硅片直接键合时，降低热处理的温度，实现硅片的低温键合。

等离子体CF₄或CF₄与O₂的混合气体不但可以激活硅片表面原子处于高能量状态，提高表面层吸附OH团的能力，而且还对硅片具有刻蚀抛光作用，可以减小硅片的表面粗糙度，提高硅片的表面质量。本发明利用这一原理，对待键合的硅片进行表面处理，从而在保证键合强度的条件下，降低热处理的温度。

本发明提供的硅片低温直接键合方法，由以下步骤组成：

1)、清洗硅片表面，并去除表面氧化物；

2)、将上述清洗干净的硅片置于等离子体处理系统中进行表面处理；

3)、将表面处理过的硅片在去离子水中浸泡后，在室温下干燥并贴合；

4)、将贴合好的硅片在温度为80～180℃的环境中干燥3～5小时；

5)、将硅片在O₂或N₂环境中进行热处理；

其特征在于，步骤2)中的表面处理过程为：先将系统抽成真空，然后充入等离子体对硅片进行处理：等离子体为纯CF₄气体或体积比为100∶1～1∶20的CF₄与O₂的混合气体，等离子体处理的时间为5～20分钟，处理温度为20～300℃，电源功率密度控制在2.5～10W/Cm²；

步骤5)中的热处理：温度为100～300℃，时间为12～48小时。

本发明所处理的硅片表面可以是本征的也可以是掺杂的。

本发明与现有技术相比，其优点是：

1、现有的等离子体处理方法只是激活表面层原子处于高能量状态和提高表面层吸附的OH^-的能力；而等离子体CF₄因为对硅片具有刻蚀抛光作用，所以它不仅可以使表面层原子处于高能量状态，提高表面层吸附的OH^-的能力，而且还能对硅片进行抛光，减小硅片表面粗糙度，提高硅片的表面质量，从而提高贴合的效果。因此该方法可以在较低的热处理温度100～300℃下，获得较高的键合质量，热处理的时间控制在12～48小时。

2、常规工艺对带微细结构的硅片进行键合时，由于热处理的温度较高，而高温会改变硅片的杂质分布，热膨胀会带来应力，损伤硅片上的微细结构，如果硅片上有IC存在并有铝引线时，温度超过铝硅共晶点引起器件失效。而本方法降低了热处理的温度，减轻了对硅片上杂质分布及微细结构的影响，因此更适合在MEMS技术中使用。

使用拉力测试仪检验硅片键合的强度，若硅片键合面的抗拉强度接近或大于本体硅的抗拉强度，达到150～200Kg/cm²，则认为硅片之间达到了牢固键合。

具体实施方式

实施例一

1)、将两片已抛光的硅片用去离子水冲洗干净，然后用SiO₂腐蚀液去除硅片表面氧化层；

2)、将清洗干净的硅片置于等离子体处理系统中进行表面处理；先将系统抽成真空(真空度为6.8E-1torr)，再充入等离子体CF₄对硅片进行处理；等离子体处理的时间为10分钟；处理温度为200℃；电源功率密度为2.5W/Cm²；

3)、在去离子水中浸泡一下，在室温下甩干并贴合；

4)、将贴合好的硅片放入烘箱中烘4小时，温度为130℃；

5)、将硅片在N₂保护下进行热处理，温度为200℃，时间为24小时；

即可实现硅片的牢固键合。

实施例二

1)、将两片已抛光的硅片用去离子水冲洗干净，然后用SiO₂腐蚀液去除硅片表面氧化层；

2)、将清洗干净的硅片置于等离子体处理系统中进行表面处理；先将系统抽成真空(真空度为6.8E-1torr)，再充入比例为100∶1的CF₄与O₂的混合气体对硅片进行等离子体处理；等离子体处理的时间为5分钟；处理温度为100℃；电源功率密度为10W/Cm²；

3)、在去离子水中浸泡一下，在室温下甩干并贴合；

4)、将贴合好的硅片放入烘箱中烘3小时，温度为180℃；

5)、将硅片在N₂保护下进行热处理，温度为300℃，时间为12小时；即可实现硅片的牢固键合。

实施例三

1)、将两片表面已刻蚀出深度为2μm，面积为4μm²的方形沟槽的硅片用去离子水冲洗干净，然后用SiO₂腐蚀液去除硅片表面氧化层；

2)、将清洗干净的硅片置于等离子体处理系统中进行表面处理；先将系统抽成真空(真空度为6.8E-1torr)，再充入CF₄等离子体对硅片进行处理；等离子体处理的时间为5分钟；处理温度为20℃；电源功率密度为5W/Cm²；

3)、在去离子水中浸泡一下，在室温下甩干并将带沟槽的表面进行贴合；

4)、将贴合好的硅片放入烘箱中烘5小时，温度为80℃；

5)、将硅片在N₂保护下进行热处理，温度为100℃，时间为48小时；

即可实现硅片的牢固键合。